20 Jun ¿Por qué la noche es oscura?
Si el Universo es lo suficientemente grande y lleno de estrellas, nuestra visión debería estar bloqueada en todas direcciones por un “muro de estrellas» y el cielo nocturno debería ser tan brillante y caliente como la superficie del Sol y, sin embargo, el cielo nocturno es prácticamente negro. ¿Por qué la noche es oscura? ¿Qué es lo que está fallando?
El astrónomo alemán Johannes Kepler planteó este problema por primera vez en el año 1610 y sugirió una solución: El Universo estrellado se extiende solo hasta una distancia finita y una vez que nuestra visión rebasa ese límite, nos encontramos solo con un Universo vacío. Pero, ¿Cuán lejos está ese límite? ¿Por qué está ahí? ¿Y qué hay más allá?
Los astrónomos posteriores a Kepler propusieron varias soluciones al problema de por qué la noche es oscura, lo que terminó conociéndose como «la paradoja de Olbers».
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La paradoja de Olbers
Al amanecer del 7 de mayo de 1823 en la ciudad alemana de Bremen, Heinrich Olbers ultimaba un artículo que dejaría su nombre en la historia. Tras la muerte de su mujer y su hija, el Dr. Olbers había abandonado recientemente su trabajo como oftalmólogo para dedicarse a su pasión nocturna: las estrellas, la luna, los meteoritos y los cometas.
Como muchos de sus compañeros, Olbers se formó en Astronomía. Ganó una sólida reputación en el mundo académico y pasaba largas noches observando el cielo desde el observatorio en el segundo piso de su casa.
Esa mañana, Olbers había llegado a una conclusión extraña: según todo lo que se sabía sobre el Universo en ese momento, el cielo nocturno no debería ser oscuro. De hecho, todo el cielo debería brillar por la noche tan intensamente como el Sol.
Olbers no fue el primero en notar esta paradoja, pero su nombre es el que ha perdurado hasta hoy.
El enigma de la oscuridad del cielo nocturno ha resonado a lo largo de los siglos y de él se han hecho eco desde Olbers y el poeta Edgar Allan Poe hasta los astrónomos del siglo XX y las sondas espaciales de la actualidad.
Un poco de matemáticas
Si dividimos el Universo en una serie de capas concéntricas, un cierto número de estrellas estará en la primera capa situada, por ejemplo, a una distancia de 1 millón de años luz del observador.
Si el Universo es homogéneo a gran escala, entonces habrá cuatro veces más estrellas en la segunda capa situada a 2 millones de años luz de distancia del observador, ya que la superficie que abarca el campo de visión del ojo humano aumenta con el cuadrado de la distancia: dos veces más distancia, cuatro veces más superficie abarcada.
Sin embargo, la segunda capa está el doble de lejos respecto a la primera, por lo que el brillo de sus estrellas será la cuarta parte del brillo de las estrellas de la primera capa, ya que el brillo (energía radiada por unidad de tiempo) decrece con el cuadrado de la distancia.
Por lo tanto, si la superficie de la segunda capa es cuatro veces mayor (contiene 4 veces más estrellas) y el brillo de sus estrellas es 4 veces menor, la luz total recibida de las estrellas de la segunda capa es la misma que la de la primera.
Por lo tanto, cada capa producirá la misma cantidad neta de luz, independientemente de la distancia a la que se encuentre.
Es decir, la luz de cada capa se suma a la cantidad total de luz recibida por el observador. Así, cuantas más capas sumemos, más luz recibiremos, y con suficientes capas, el cielo nocturno sería tan brillante como nuestro Sol.
¿Luz finita en un Universo infinito?
Como muchos de sus contemporáneos, Olbers siguió a Isaac Newton y René Descartes al creer que el Universo era infinito.
Si el Universo fuera finito y estático, la fuerza de la gravedad debería unir todas las estrellas en un punto central. Pero si el Universo se extendiera eternamente, las fuerzas gravitatorias estarían, en promedio, equilibradas en todas las direcciones.
Pero Olbers se dio cuenta de que este modelo del cosmos era inconsistente con las observaciones: En un universo ilimitado, lleno de un número infinito de estrellas, dondequiera que miremos por la noche, nuestra visión debería acabar siempre en la superficie de una estrella, de la misma manera que nuestra visión en un bosque suficientemente extenso termina siempre en un árbol.
Este es el problema que planteó Olbers en su artículo del 7 de mayo de 1823: el modelo cosmológico de la época sugería que cada punto del cielo debería ser tan brillante como la superficie del Sol y, por lo tanto, no debería existir la noche.
Olbers propuso como solución para explicar por qué la noche es oscura, que la luz de las estrellas más lejanas era absorbida por el polvo u otro material flotando en el espacio.
El astrónomo inglés John Herschel señaló más tarde que esto no podía ser correcto, porque cualquier cosa que absorbiera tanta luz con el tiempo terminaría calentándose lo suficiente como para emitir fotones y volver a brillar.
Cuando Olbers murió el 2 de marzo de 1840, a la edad de 81 años, el enigma que hoy conocemos como la paradoja de Olber quedó sin resolver.
E.A. Poe, un poeta con gran intuición
Ocho años después, al otro lado del Océano Atlántico, el poeta y escritor Edgar Allan Poe creyó haber encontrado una respuesta. El 3 de febrero de 1848, dio una conferencia pública sobre sus ideas a 60 personas en la Biblioteca de la Sociedad de Nueva York.
A mitad de camino entre la metafísica y la ciencia, Poe argumentó que el cosmos había surgido de un solo estado de la materia («Unidad») que se fragmentó y dispersó bajo la acción de una fuerza repulsiva.
Esto significaba que el Universo era una esfera finita de materia: Si el universo finito está poblado por un número suficientemente pequeño de estrellas, entonces no veremos una en todas las direcciones en las que miremos y así se explicaría por qué la noche es oscura.
Incluso si asumimos que el universo es infinito, si comenzó en algún momento del pasado, el tiempo que tarda la luz en llegar a nosotros limitaría el tamaño de la cantidad de Universo que podemos ver. Este tiempo de viaje de la luz crearía un horizonte más allá del cual las estrellas distantes permanecerían inaccesibles.
La audiencia de Poe en la Biblioteca de la Sociedad de Nueva York no le brindó la acogida entusiasta que esperaba. Más tarde, ese mismo año, publicó sus teorías en el poema en prosa Eureka, que tuvo poca circulación.
Al año siguiente, el 7 de octubre de 1849, Poe murió a la edad de 40 años. Pasaría más de un siglo antes de que los científicos confirmaran sus intuiciones sobre el enigma de por qué la noche es oscura.
P. Scheuer, dos hechos y medio
En la primera mitad del siglo XX se desarrollaron muchas teorías nuevas del cosmos, impulsadas por la teoría de la relatividad general de Einstein, que explicaba la gravedad, el espacio y el tiempo de formas novedosas.
Hacia la segunda mitad del siglo, estas teorías cosmológicas comenzaron a ser probadas con observaciones, y así, en 1963, el astrónomo británico Peter Scheuer argumentó que la cosmología se basaba solo en «dos hechos y medio»:
- Hecho 1: el cielo nocturno es oscuro, lo que se sabía desde hace algún tiempo.
- Hecho 2: las galaxias se están alejando unas de otras, como lo muestran las observaciones del astrónomo estadounidense Edwin Hubble publicadas en 1929.
- Hecho 2.5: el contenido del Universo probablemente está evolucionando a medida que se desarrolla el tiempo cósmico.
Fuertes controversias sobre la interpretación de los hechos 2 y 2.5 agitaron a la comunidad científica en las décadas de 1950 y 1960. ¿Era el universo esencialmente estacionario, o había comenzado en una enorme explosión, un Big Bang?
Los partidarios de ambos lados admitieron, sin embargo, que necesitaban explicar por qué la noche es oscura.
E. R. Harrison, La evolución estelar
El cosmólogo británico Edward Robert Harrison resolvió el conflicto en 1964. Mostró que el factor principal que determina el brillo del cielo nocturno es en realidad la edad finita de las estrellas.
El número de estrellas en el Universo observable es extremadamente grande, pero es finito. Este número limitado de estrellas, cada una ardiendo por un tiempo limitado, repartido en un volumen gigantesco, permite que la oscuridad se manifieste entre las estrellas.
Más tarde, Harrison se dio cuenta de que esta solución ya había sido propuesta no solo por Edgar Allan Poe, sino también por el físico británico Lord Kelvin en 1901.
Las observaciones en la década de 1980 confirmaron la resolución propuesta por Poe, Kelvin y Harrison. La paradoja de Olber finalmente había desaparecido.
Múltiples soluciones para un mismo enigma
Los astrónomos han llegado a la conclusión de que el Universo comenzó hace entre 12 y 15 mil millones de años. Esto significa que solo podemos ver la parte del Universo que se encuentra entre 12 y 15 mil millones de años luz de nosotros.
Puede haber una infinidad de estrellas más allá de ese horizonte cósmico, pero no podemos verlas porque su luz aún no ha llegado. Y la parte observable del universo contiene muy pocas estrellas para llenar el cielo de luz.
Hoy en día sabemos que el Universo está en expansión, y aunque este hecho no es necesario para resolver la paradoja, lo cierto es que también la explica: en un Universo en expansión las longitudes de onda de la luz se desplazan hacia el rojo, perdiendo energía y, por tanto, la luz de galaxias muy distantes estaría desplazada hacia longitudes de onda más largas (infrarrojo) no visibles para el ojo humano.
Pero esas no son las únicas soluciones a la paradoja: La mayoría de las estrellas, como el Sol, brillan durante unos miles de millones de años antes de consumir su combustible nuclear y oscurecerse. Las estrellas moribundas arrojan gas y polvo al espacio, y este material da origen a nuevas generaciones de estrellas.
Pero después de suficientes generaciones, todo el combustible nuclear del Universo finalmente se agota y la formación de estrellas debe llegar a su fin.
Entonces, incluso si el Universo fuera infinitamente antiguo e infinitamente grande, no contendría suficiente combustible para mantener las estrellas brillando para siempre y para llenar todo el espacio con la luz de las estrellas. Y así el cielo nocturno es oscuro.
Una noche no tan oscura
O tal vez no del todo. Visto desde un ángulo diferente, hay otra resolución a la paradoja: el cielo nocturno en realidad no es tan oscuro después de todo.
Después del descubrimiento de la expansión del Universo a fines de la década de 1920, los científicos se dieron cuenta de que el Universo podría haber comenzado siendo extremadamente compacto, denso y caliente. Este es el modelo «hot Big Bang» que tenemos hoy.
Una predicción central de este modelo es la existencia de «luz fósil» liberada en el amanecer cósmico. Esta luz fósil debería ser observable hoy, pero no a simple vista, ya que el universo en expansión la habría desplazado a longitudes de onda más largas.
Esta radiación, el fondo cósmico de microondas, se detectó en 1964. Ahora medida con una precisión exquisita, la radiación cósmica de fondo es la luz más común en el universo.
Ahora sabemos que el cosmos también está iluminado por una segunda luz de fondo mucho más tenue, producida por las galaxias a medida que se forman y evolucionan. Esta luz se conoce como el fondo cósmico ultravioleta, óptico e infrarrojo.
Así que también podemos responder a la paradoja de Olber diciendo que el cielo no está oscuro, sino que brilla tenuemente con la tenue radiación reliquia de todo lo que ha sido durante la vida finita del Universo.
Un enigma aún vivo
En 2023, la paradoja de Olber se ha convertido en un rico campo de investigación. En la actualidad, se realizan mediciones cada vez más precisas del brillo del cielo nocturno y se simulan las estrellas del cosmos con supercomputadoras. Ahora podemos determinar el número de estrellas en el cielo con gran precisión.
Sin embargo, los rompecabezas permanecen. El año pasado, la sonda espacial New Horizons, más allá de la órbita de Plutón y lejos del polvo del Sistema Solar interior, descubrió que el cielo es el doble de brillante de lo que esperábamos.
Y así la eterna cuestión de por qué la noche es oscura sigue viva, atravesando distintas épocas y culturas.
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